王楚輝，凌 飛，孫 建，盛葉飛，呂 溢

(1.浙江三方控制閥股份有限公司,浙江 杭州 310000；2.浙江三方控制閥研究院，浙江 杭州 310000)

引言

調節(jié)閥作為一種節(jié)流機構，主要對流體流量、壓力、流向等進行調控，通過閥芯、閥座改變流道的截面積，形成局部阻力，從而改變流體的壓力和速度，達到調控效果，流體流過節(jié)流孔時壓力和速度變化如圖1所示[1]。流體在流過調節(jié)閥時，由于流阻問題，產生能量損失，通常用閥前后的壓差來表示阻力損失的大小。要使調節(jié)閥能起到調節(jié)作用，就必須使閥前后有一定的壓差。

圖1 流體流過節(jié)流孔時壓力和速度的變化[1]

閥門在啟閉和工作狀態(tài)時，通過閥門的流體流場會改變并形成渦流，流場的變化是引起閥門振動和噪聲的主要因素，對閥門流體流動特性的研究尤顯重要。國內外學者對閥門進行了大量研究，屈鐸等[2]通過有限元手段對球體內部流場進行了仿真分析，研究了閥腔結構對流體流動的影響，得出了閥內渦流形成的特點，為閥門流道設計及優(yōu)化提供了理論依據；劉兆領等[3]基于PumpLinx進行某型齒輪泵的內流場特性模擬仿真，并將仿真結果與試驗數據進行對比分析，驗證了采用的仿真技術能夠有效實現該型泵的特性分析；王陽陽[4]基于Fluent仿真軟件，對安全閥啟、閉全過程進行自適應動網格瞬態(tài)分析，結果表明，仿真分析可以觀測到開啟瞬間閥芯的回彈趨勢，還能提供安全閥內部流場信息，是研究瞬態(tài)流場的有效手段；張玉祥等[5]應用k-ε標準湍流模型,模擬分析了球閥在不同閥芯開度下的閥門內部流場，得出閥門開度較小時,閥門內部會產生較大速度梯度和壓力梯度，當閥門開度逐漸增大時,節(jié)流效應減弱,閥門下游壓力變化減小，漩渦減小直至消失；劉兆領等[6]針對內縮型平衡閥的噪聲問題，建立了內部流場的數學模型，利用Fluent仿真軟件進行了液氣兩相流仿真，研究了流道壁面的噪聲分布情況；張宏等[7]針對大流量多路閥穩(wěn)態(tài)液動力問題，對閥芯受力情況進行了數值模擬仿真，通過對比不同湍流模型對仿真結果的影響，得出Realizablek-ε模型在大流量多路閥穩(wěn)態(tài)液動力仿真中能夠更好的擬合試驗數據；任恒等[8]通過L9(34)正交試驗與數值模擬相結合的方法對比例減壓閥進行了優(yōu)化設計，有效改善了比例減壓閥的動態(tài)特性；金偉等[9]針對旋轉閥的工作原理及其在工作過程中閥體內部流體流動特性，利用 Fluent 軟件對旋轉閥進行流場分析，得到了流體在旋轉閥中的運動規(guī)律及流體壓差變化情況；SRIKANTH C等[10]應用CFD流動網格技術對閥門內流體流動情況進行了仿真研究；MORITA R等[11]應用CFD技術對蒸汽調節(jié)閥內部流體流動情況進行了仿真研究，分析了引起閥門振動的因素，并進行了試驗驗證。本研究針對調節(jié)閥流量特性，應用SolidWorks 軟件對閥內流體流動進行模擬分析，提取流體通過閥門的流量及壓差，求得其Kv值，并在相同條件下進行流量試驗，通過試驗對比驗證仿真結果的可靠性，為應用CFD技術研究閥門內部流體流動問題提供了理論參考。

1 SolidWorks 數字化建模

調節(jié)閥調節(jié)過程就是閥前、后形成壓差的過程，進而達到改變流體的通過能力。應用SolidWorks軟件模擬流體在調節(jié)閥內的流動過程，提取仿真數據，構建流體力學數字化模型，為調節(jié)閥調控機理的研究提供理論參考。

1.1 幾何模型建立

應用SolidWorks軟件構建調節(jié)閥三維模型，并在CFD模塊中進行仿真分析。調節(jié)閥的內件(閥座/套筒、閥芯)是保證調節(jié)能力的核心部件，在建模時要保證其尺寸的準確性并保證裝配關系。本研究只研究調節(jié)閥的Kv值，在構建調節(jié)閥三維模型時可以進行簡化，只保留與介質接觸的主要部件；同時根據調節(jié)閥流量測試試驗標準，在調節(jié)閥入口、出口處分別加裝長度為2倍、6倍管徑(2D，6D)的管道，避免流體在閥體內發(fā)生擾動對試驗結果產生影響。調節(jié)閥模型如圖2所示，圖2a為調節(jié)閥三維模型，圖2b為調節(jié)閥三維簡化模型，圖2c為加裝管道后調節(jié)閥簡化模型。

1.2 流體數學模型

在研究流體流動問題時，都會引入一系列控制方程，通過構建流體數學模型進行求解，常用到的有連續(xù)性方程、動量方程等。流體運動的控制方程根據質量守恒、動量守恒和能量守恒得出。試驗研究介質為不可壓縮流體，且流體的黏度系數和熱傳導數為定值，因此得到如下流體控制方程[12]：

連續(xù)性方程：

V=0

(1)

動量方程：

(2)

式中，ρ——流體密度，g·cm-3

V——流體速度矢量

F——體積力

標準k-ε湍流模型[13]，湍動能k方程：

1.閥體 2.閥蓋 3.閥桿 4.套筒 5.閥芯圖2 調節(jié)閥模型

(3)

耗散率ε方程：

(4)

式中，xi，xj——坐標分量

ui——速度分量

Ym——湍流脈動膨脹對耗散率影響

μ——分子黏度

C1ε，C2g，C3g——常數

μ1——湍流系數

σε，σk——湍流普朗特數

Gk——速度引起的湍動能

Sk，Sε——源項

Gb——浮力引起的湍動能

通過對以上控制方程進行離散變換，得出其數學模型，將模型圖分解成無數個小網格(微元化處理)，將研究問題的初始條件和邊界條件代入，求得方程的解。該求解過程可以通過CFD技術，在仿真軟件中完成，直接得到仿真結果。

1.3 邊界條件設置

本試驗研究流體的流動問題，對其Kv值進行求解，而Kv值又是流量與壓差的函數；只需確定流體流量或壓差，即可對研究的流體流動問題進行求解。試驗只討論了邊界以內的流體流動問題，設置了靜態(tài)壓力邊界條件。

流體Kv值計算過程：

對于不可壓縮流體，當流體流過閥門時，會產生能量損失；對于不可壓縮流體，根據能量守恒可得：

H=(p1-p2)/ρg

(5)

當閥門開度不變時，流經閥門流體的能量損失與流體動能成正比：

H=Cdw2/2g

(6)

w=Q/A

(7)

式中，H——能量損失

p1,p2——閥前、后壓力,kPa

g——重力加速度

w——平均流速

Q——體積流量,m3/h

A——閥流道橫截面積,cm2

Cd——閥阻力系數

將單位帶入式(5)～式(7)中，計算后得：

(8)

令：

(9)

將式(9)中的密度ρ單位化成kg/m3,閥門壓力p1,p2單位轉化成MPa，即可得：

(10)

式中,ρ——介質密度，kg/m3

1.4 網格劃分

工件網格劃分質量對仿真結果有著重要影響，網格劃分的疏密度既要考慮仿真的精度，又要考慮模擬的時間，結合實際，確定合適的網格尺寸[14]。針對流體分析，在流道截面上的網格數量不少于3層，通常將網格最小單元尺寸設為流道最小截面尺寸的1/3，并調控網格的最大、最小單元尺寸比例，給定網格自適應劃分的標準。圖3為調節(jié)閥截面網格模型，其最小流道截面尺寸為 10 mm，最大流道截面尺寸為 350 mm，故最小網格單元尺寸設為3 mm，網格的最大、最小單元尺寸比例設為 7，比例過大會引起仿真失真、不收斂，通常比例不大于12。

圖3 調節(jié)閥截面網格模型

2 調節(jié)閥Kv值預測分析及試驗對比

CFD技術的應用，使流體流動問題的研究進入了數字化、可視化階段，極大降低了研究成本，節(jié)約了研究時間。本研究基于SolidWorks軟件，對調節(jié)閥的流量特性進行仿真分析，求解其在不同開度時的仿真Kv值，得出其理論流量特性曲線；再在同等條件下進行流量試驗，檢測對應開度時的流量，計算得出試驗Kv值，并與仿真結果進行對比分析，驗證仿真結果的可靠性。

2.1 調節(jié)閥Kv值預測分析

本研究的調節(jié)閥基本參數：DN350，PN160，最大調節(jié)行程100 mm。應用 SolidWorks 軟件完成調節(jié)閥三維簡化模型構建后，直接進入流體仿真模塊(flow simulation)。流體介質設為水(常溫)，管道摩擦因數0.3，管道壁面設為絕熱，介質自重影響忽略。根據1.3節(jié)完成初始條件設置并劃分網格。載荷參數設置見表1。

表1 仿真載荷參數設置

將載荷數值帶入到仿真模型中進行求解運算，提取仿真數據進行分析。圖4為流體在閥門內流動速度云圖。

圖4 流體在閥門內流速云圖

從圖4中可以看出，流體在進入閥腔前的加裝管道內流速穩(wěn)定，在進入閥腔后流速出現較大波動，這是因為閥芯與套筒改變了流道的截面積，使流體流動遇阻，流體在通過閥芯時出現壓力變動，引起流速改變。當流體離開閥腔后，流速開始緩慢恢復穩(wěn)定，這是因為流體離開閥腔后，壓力開始恢復直至穩(wěn)定，流速亦趨于穩(wěn)定。圖4中流體在距離閥腔后約2.5倍管徑管道處，流速基本穩(wěn)定，4.5倍處流速完全穩(wěn)定，因此，在調節(jié)閥入口、出口處分別加裝長度為2倍、6倍管徑的管道，可以有效避免流體在閥體內發(fā)生擾動，對仿真結果產生影響。

圖5為閥芯100%開度時流體質量流量M，圖6為閥芯100%開度時閥門出、入口壓力。

圖5 閥芯 100%開度時流體質量流量

圖6 閥芯 100%開度時管道出、入口壓力

由圖5可以看出，在流體流動穩(wěn)定后，流體通過閥門的質量流量保持穩(wěn)定，符合調節(jié)閥的調控功能要求；圖6可以看出，在仿真的全過程中，管道取壓口處壓力穩(wěn)定不變，保證了仿真數據的可靠性。

根據以上仿真方法，建模求解出所有開度的流體質量流量，并將仿真數據帶入式(10)求得Kv值。閥芯不同開度時的質量流量與Kv仿真值見表2。

表2 閥芯不同開度時的質量流量與Kv仿真值

2.2 調節(jié)閥 Kv值試驗檢測及對比分析

通過CFD技術仿真得到的數據，還處于理論階段，為驗證仿真數據的可靠性和實用性，在相同條件下(流體介質、邊界條件、載荷條件等)，對以上調節(jié)閥進行流量測量試驗，得到不同閥芯開度時的流量和壓差值。圖7為流量試驗系統(tǒng)簡圖，通過“上/下游節(jié)流閥”控制流入“試驗樣品閥”的介質流量[15]。

圖7 流量試驗系統(tǒng)[15]

圖8a為調節(jié)閥流量試驗實物，圖8b為閥門流量測量系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)可以將試驗過程中的流量與壓強實時顯示出來，便于條件控制和數據提取。

圖8 閥門流量試驗

將試驗測得的流量與壓差帶入式(10)求出Kv試驗值，并與仿真值進行對比。圖9為Kv試驗值與仿真值對比曲線。

圖9 Kv試驗/仿真值曲線

從圖9可以看出，當閥門開度較小時(不大于30%)，Kv試驗與仿真偏差較大，且開度越小偏差越大，這是因為較小開度時通過閥門的流量較小，在相同偏差量情況下，流量基數越小，偏差的百分比就越大；當閥門開度較大時(大于30%)，試驗與仿真比較吻合，偏差值小于5%。調節(jié)閥在實際應用過程中，其實際應用閥門開度在40%～80%之間。因此，通過CFD技術仿真得到的閥門Kv值曲線，可以作為閥門設計時的理論參考，這將極大提高了設計效率和經濟效益。

3 結論

Kv值作為調節(jié)閥設計和應用的主要參數，是判定調節(jié)閥是否合格的重要指標。本研究應用SolidWorks軟件對調節(jié)閥進行數字化建模，完成了調節(jié)閥流量仿真分析，得到了閥門不同開度時的Kv值。通過將仿真與試驗進行對比分析，得出在閥門開度大于30%時，試驗與仿真偏差值皆小于5%，驗證了仿真數據的可靠性。為應用CFD技術進行閥門流量研究提供了理論參考，對提高閥門設計效率具有指導意義。